减小硬关井水击问题探讨

蔡金亮(重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331)

溢流硬关井时通常发生水击现象，这是由于井内钻井液具有惯性及压缩性等特点。当选择硬关井时，闸板防喷器瞬间关闭，钻井液依旧维持原有的运动状态，导致井筒内压力急剧改变，产生水击。如果水击压力过大，不仅能够损毁井口设备，压力向下传播也有可能压漏地层，给溢流压井带来更严重问题。因此，钻井中尤其重视井口及地层薄弱处的受水击影响情况。目前，还未见到较好的处理硬关井中水击压力的措施，大多采用软关井来减缓水击压力的破坏，但软关井作业时间较长，井内将侵入更多的流体。而硬关井具有关井时间短，操作简便。通过采用其他技术手段减少硬关井时的水击压力，将会极大降低井控风险，有利于后续的压井施工。

1 影响水击压力大小的因素

探讨水击压力大小首先要先研究水击波速。常规水击波速公式考虑了固体颗粒、液体及气体含量，管道弹性尺寸、模量和挠度等因素。水击波速计算公式[1]为:

式中：E1、Es、Eg分别为液体、固体和气体的弹性模量；Cs、Cg分别为固体和气体的百分含量；D为管道内径；δ为管壁厚度；am为水击波速。

由水击波速公式可知，不同性质的泥浆在井内传播速度不同，井内气相体积分数越大波速越小；固相体积分数越大波速也越大；套管弹性模量越大波速越小。

直接水击压力的计算公式：

式中：vm0为初始出口流速；ρ为泥浆密度。

由水击压力计算公式可以看出，水击压力的大小与泥浆密度、井口流速和水击波速直接相关。井口初始流速越大，关井时水击压力越大，水击波速越大水击压力越大。该水击压力计算式反映的只是井口处最大水击压力，与时间参数无关。

2 减小水击压力的方法

由于硬关井能在在短时间内产生较大的水击压力，对井控产生不利影响。因此采取必要措施减小水击压力产生的危害，才能保证后续井控作业的顺利进行。

2.1 延长阀门的关闭时间

适当延长井口阀门的关闭时间可以有效减小水击压力[3]，这在油气运输管道中广泛采用。石油钻井中采用的软关井方式其实就是延长阀门关闭时间较小水击压力的一种方法。软关井时，节流阀由半开到全关再到关闭平板阀，井口流量逐渐减小，水击压力大为降低，关井相对安全。

2.2 溢流气体早发现

及早发现溢流，尤其是气体溢流，可以减少关井时井口的流速，降低水击压力。我国目前溢流监测大多采用泥浆液面观测，其精度不高，发现溢流较迟。当关井操作时喷势往往较大，这时如果采用硬关井，井口将承受较大的水击压力，对井控安全不利。如果能够做到溢流的早发现，一旦溢流发生立即关井，这时井口流速不大，即使采用硬关井也不会产生较大水击压力。

2.3 适当增大钻井液粘度

通过分析水击压力控制方程，增加泥浆粘度可以减小水击压力。但泥浆粘度的增加要根据实际情况做适当调节，如果粘度过高会导致泥浆井筒内摩阻升高井内压力增加，同样给井控安全带来隐患。

2.4 空气罐减小水击压力

在井口装置上加装空气罐是目前研究较多的减小水击压力的方法。空气罐[2]的原理类似于泥浆泵上面的空气包。空气罐内装有一层较高压力的压缩空气，下层与钻井泥浆接触。当采用硬关井时，井口压力激增，泥浆进入空气罐压缩里面的带压空气，同时消耗一部分水击能量，当负压波至空气罐内时，压缩空气向外做工，抵消这部分水击压力，如此反复达到减小硬关井水击压力的效果。但这种方法尚未见到应用试验，其适用性有待后续研究。

图1 带空气罐的井口装置图

3 结论与建议

3.1 硬关井水击压力的大小受井口流量和水击波速的影响较大，减小水击压力应从降低这两个参数入手。

3.2 延长阀门关闭时间和增大泥浆粘度都有其局限性。延长阀门关闭时间有可能导致气体进一步侵入井内，增加泥浆粘度会导致井内摩阻阻力增加，这些都不利于井下安全。

3.3 溢流的早发现有待溢流监测技术手段的提高，在现有的技术条件下应当加强人员的管理和关井操作的熟练程度，避免过大溢流量和井口操作导致的压力剧烈波动。

3.4 空气罐可以较好的解决硬关井水击问题，但现实生产中并未广泛得到应用。应继续加强和完善相关方面的研究，尽早在全国推广。

[1]骆发前,何世明等.硬关井水击问题及减小水击措施的探讨[J].石油钻采工艺.2006,28（3）:68-70.

[2]李钦华.水击现象与水击消除器[J].石油库与加油站.2005,14（4）:34-36.

[3]李荣,何世明.溢流关井水击压力的计算及结果讨论[J].西南石油学院学报.2005,27（2）:37-40.